基于新型正序提取器的并网与独立双模式无缝切换策略

刘 红 林明潮

(浙江埃菲生能源科技有限公司 温州 325000)



基于新型正序提取器的并网与独立双模式无缝切换策略

刘 红 林明潮

(浙江埃菲生能源科技有限公司 温州 325000)

针对三相逆变器，在提出的一种电网电压正序提取器的基础上，设计了并网与独立双模式的无缝切换策略。在电网正常时，根据正序提取器所得到的正序分量计算电流给定；在电网异常时，由正序提取器保持恒频恒幅的负荷电压给定。在检测到电网恢复正常时，正序提取器又能很快地跟踪电网电压相位，使得负荷电压与电网电压同步，从而避免并网冲击。并网模式下的电流和独立模式下的电压控制均采用两相静止坐标系下的比例谐振控制器实现无静差跟踪。通过实验，验证了该文所提策略的有效性。

分布式发电 并网逆变器 无缝切换 正序提取器

0 引言

当前太阳能、风能、燃料电池等新能源分布式并网发电受到世界各国的普遍重视，特别是能源互联网建设的提出，使分布式能源的控制问题更加受到各界的重视。这些新能源通常通过并网逆变器接入电网，在电网电压正常的情况下，可稳定地向电网输送功率。然而，在电网故障或停电时，逆变器一般也停止运行。控制逆变器，使其在切离电网后继续以独立运行模式为附近的关键负荷不间断供电，且在电网恢复时还能自动并网运行，已成为当前分布式发电及微电网领域的热点问题。其技术难点主要体现在并网与独立运行两种模式的无缝切换上。因此，研究无缝切换技术，使得分布式并网逆变器为关键负荷不间断供电具有重要意义。

文献[1-6]针对单相逆变系统阐述了并网与独立双模式切换方法。在电路拓扑上，在逆变器和电网间均装设了一个并网开关，以决定并网与独立运行状态。在控制策略上，有并网模式下直接电流控制而独立模式下切换至电压控制[1-3]与并网模式下间接电流控制而独立模式下电压单闭环控制两类[4-6]。后者实际在并网模式下采用电流外环电压内环的双闭环控制，其优点在于利用两种模式都具备电压环，可通过切换时电压给定的不变来实现电压的平滑切换。其本质上是通过将并网状态最后一个控制周期的电压赋值给独立运行模式作为最初始状态，缺点是增加了并网控制的复杂度。文献[7-11]针对三相逆变系统进行了并网与独立双模式切换的研究。文献[7]提出了基于间接电流控制的切换方法。文献[8]研究了电网断电时逆变输出电压的变化规律，并给出了智能切负荷策略。文献[9]考虑了三相开关动作不一致的情况，给出了在三相静止坐标系下的切换方法。文献[10，11]基于旋转坐标系设计了双模式切换方法，在并网切换到独立模式时将并网模式下的电压调制值赋给独立模式电压控制环作为初值以实现电网的平滑过渡。

本文针对三相逆变器进行双模式切换的研究。首先设计一种正序提取器来获取电网电压的相位，与文献[12-16]提出的锁相方式不同，该正序提取器能无相移和幅值衰减地提取基波正序分量，并含有一个可调滤波系数，通过调节该滤波系数，可使其在并网和独立两种模式切换中自动实现相位的平滑过渡。在正序提取器的基础上，采用两相静止坐标系下比例谐振控制器[17]，在并网和独立运行模式下均获得三相平衡的无静差跟踪效果。通过对谐振输出的合理限幅，防止了并网到独立模式的负荷过电压[18]以及在检测的电网恢复时，又能自动跟踪电网相位，使逆变器实现独立到并网状态的无冲击切换。

1 双模式逆变发电系统

含关键负荷的分布式发电系统如图1所示。图中L为逆变器交流侧的滤波电感；Z为用户的关键负荷，后文简称负荷，若逆变器带有滤波电容，则将滤波电容也看成是负荷之一；i为逆变电感电流，iZ为负荷电流，ig为电网电流；ug为电网电压，uZ为负荷电压。图中电网侧有一个断路器，该断路器断开表示电网停电状态。断路器是模拟电网断电所用，并网点电压监测点在并网开关和断路器之间。图中的并网开关是可控的，控制器检测到电网断电时，必须将并网开关断开，以防止断路器重合闸时负荷电压与电网电压不一致而带来的电流冲击。在检测到电网恢复后，必须先调节负荷电压使其与电网电压相位与幅值一致，才可将并网开关闭合以并网运行。

图1 含关键负荷的分布式发电系统Fig.1 A distributed generation system with a critical load

系统在并网模式下将直流输入功率传送到负荷和电网，执行电流控制。在独立运行模式下，执行电压控制，为负荷提供稳定的电压。除完成两种模式的控制本身外，还必须实现两种模式间的切换。

并网到独立运行的切换流程如图2a所示。在并网运行模式下，需定期判断电网是否正常。本文的判据为电压有效值介于0.9～1.1倍额定值之间且频率介于0.95～1.05倍额定频率之间。若电网正常，执行电流控制；若电网异常，控制芯片发出并网开关分闸指令，在分闸状态反馈未收到前继续执行电流控制程序，收到分闸状态反馈后，立即切换到独立运行模式。

独立到并网运行切换流程如图2b所示。在独立运行模式下，为实现在电网恢复后能自动并网运行，需定期检查电网是否恢复正常。若电网尚未正常，执行电压控制；若电网恢复，则执行同步控制，即调节负荷电压，直到其与电网电压相位和幅值一致。若已同步，则发出并网接触器合闸指令，合闸状态反馈未收到前继续保持同步控制，若收到合闸状态反馈，则切换至并网运行模式。

图2 双模式切换流程Fig.2 The flowchart for transition between two modes

2 控制策略

2.1 数学模型

考虑到三相电路中只有两相独立可控，本文在两相静止坐标系下控制。对图1所示电路中的变量，进行三相到两相静止坐标系的变换

(1)

式中，x=v,u,i。

规定电流流入电网为正，可得并网状态下两相静止坐标系下的数学模型为

(2)

式中，iα、iβ为两相静止坐标系下逆变侧的α、β轴电流；ugα、ugβ为电网电压；vα、vβ为调制电压。 在独立运行模式下，式(2)中的电网电压需换成负荷电压uZα、uZβ。

2.2 正序提取器

在并网控制中，需以电网电压的相位作为电流给定的依据，若发送有功电流，则使电流相位与电压相位同步，若发送无功电流，则使电流相位与电压相位相差90°。在独立模式中，也需为给定负荷电压提供相位。在独立模式到并网模式切换过程中，更需将负荷电压的相位调得与电网电压相位一致才可并网。电网电压正序提取器在相位获取上起到重要作用，在此进行原理介绍。

设两相静止坐标系下的电网电压基波正序分量为

(3)

(4)

若需从测量到的电网电压中提取基波正序分量，根据状态观测器的基波思想，需引入观察误差进行负反馈，于是得到基波正序提取器的原理为

(5)

式中，γ为误差反馈系数。式(5)可解释为利用提取结果和实际采样值的偏差，来更新提取结果。若提取结果小于实际采样值，则提取结果随时间的导数应增大，反之则减小。式(5)可整理为

(6)

(7)

于是，本文提出的电网电压基波正序提取模块的离散实现方程式为

(8)

将式(6)进行Laplace变换，可解得

(9)

若采用普通的双线性变换或欧拉差分进行离散化，式(9)需要4个二阶离散差分方程实现。因此本文给出的离散化方程式(8)具有计算量小的优点。

式(8)的另一个优点是对基波正序分量的提取无幅值和相位偏移。根据傅里叶分析理论及不对称分量法，三相三线系统的电网电压可分解为不同频率的正序和负序分量之和。不妨设其中任意角频率ω的分量为：ugα(n)=Ugcos(nωT+φ)，ugβ(n)=Ugsin(nωT+φ)， 其中，ω>0表示正序分量，ω<0表示负序分量。式(8)是一个迭代方程，转移矩阵特征根的模为a，因其小于1，故而是稳定的，且a越接近于0，收敛越快。根据式(8)可解得的稳态输出为

(10)

式中，A(ω)为幅值放大系数，即幅频特性为

(11)

Δφ(ω)为相位偏移，即相频特性为

(12)

取ω1=314 rad/s，T=100 μs，a分别为0.98和0.95为例，正序提取器的幅频特性和相频特性如图3所示。

从稳解可知，若ω=ω1， 则式(8)的输入和输出在幅值和相位上完全相等。对于基波频率的无相位偏移和无幅值衰减特性，这是优于其他的如双线性变换或欧拉差分等离散实现方法的。

图3 正序提取器的幅频与相频特性Fig.3 The amplitude and phase-frequency characteristics of the PCD

图4 正序提取器的仿真结果Fig.4 Simulation results of the PCD

正序提取器的仿真效果如图4所示，其中系数a取为0.98，T=100 μs，实线为两相静止坐标系下的电网电压采样值，而虚线为正序提取器的输出。图4a为在0.02 s时突然出现了10%的负序电压的效果，图4b为在0.02 s时突然出现了10%的5次和7次谐波的效果。从图中可见，提取器的输出为相差90°的正弦波，达到了滤除负序电压和谐波的作用。

2.3 并网模式下的电流控制

并网模式的控制框图如图5所示。其中电流给定计算表达式为

(13)

式中，P*、Q*分别为逆变器需要发出的有功和无功功率给定。在此给出的是较普遍的功率控制目标与电流给定的关系，也可将有功功率环换成直流电压环，具体与并网逆变器所接直流电源的类型有关。

图5 并网模式控制框图Fig.5 The control framework in grid-tied mode

电流控制采用两相静止坐标系下比例谐振解耦控制器[15]，控制方程式为

(14)

式中，kp为比例系数；cα、cβ为谐振输出，具体离散实现表达式为

(15)

(16)

2.4 独立模式下的电压控制

独立模式的控制框图如图6所示。电网未恢复正常前，正序提取的系数a取为1，这样正序提取器的状态转移矩阵正好是一个旋转矩阵，它作用于正序分量，仅使正序分量的相位按固定频率递增，而保持幅度不变。此时，式(8)在并网正序分量最后一次提取结果的基础上保持额定频率的正弦波恒幅值输出。交流负荷电压给定按式(7)计算

(17)

式中，U*为负荷额定电压幅值。

图6 独立模式控制框图Fig.6 The control framework in stand-alone mode

负荷电压控制也采用比例谐振控制器，控制方程为

(18)

式中，kpu为电压环比例系数；dα、dβ为电压误差谐振输出，具体离散实现表达式为

(19)

(20)

式中，kru为谐振控制系数；dα1、dβ1为构造的中间变量。由于谐振项的加入，实现了交流无静差跟踪。谐振项的初始化值取为并网状态最后一次的调制电压值，dα(0)=vα，dα1(0)=vβ，dβ(0)=vβ，dβ1(0)=-vα， 这样确保了从并网到独立运行模式电压波形的平滑过渡。

若电网已经恢复，则开始同步控制，同步控制本身也是电压控制，只是参考电压不再是控制器自动产生，而需要根据电网电压来确定。将正序提取器的系数a由1变小，这里取为0.95，则可使参考电压的相位逐渐与电网电压相位一致。跟踪的速度取决于系数a的大小，系数a越小，跟踪越快，但系数a太小会导致负荷电压相位变化太快而影响电压波形的质量，取为0.95是兼顾了快速性和波形质量的折中结果。再将U*调整为电网电压幅值，即可实现负荷电压与电网电压的完全同步。

3 实验验证

实验平台为50 kW三相并网逆变器，其拓扑如图1所示。并网开关选用三相接触器。关键负荷用可调负载箱模拟，接在并网接触器靠逆变器侧。实验中，采用手动断开断路器的方法模拟电网断开。

系统的各元件参数为：额定电网电压400 V，逆变滤波电感0.6 mH，并网接触器额定电流200 A，直流源为500 V恒压源，逆变器交流输出端与电网间还装有一台270 V/400 V的三相变压器。

逆变器从并网运行到独立运行切换的波形如图7a所示。图中，电网电流变为零的时刻即为断开断路器的时刻，之后，负荷电压和电网电压幅值均减少，由于控制策略中的限位器作用，电压减少到一定值后不再减少，经过不到100 ms，控制器检测到电网欠电压而断开了并网接触器，此时测到的并网电压变为零，而负荷电压逐渐上升至额定值。从波形上可看出，负荷电压在幅值和相位上都实现了从并网到离网的无缝切换。而采用文献[12]中提及的普通锁相环(PLL)，得到并网到独立模式切换的效果如图7b所示。虽然也完成了并网到独立模式的切换，但切换过程中波形出现了畸变。因为并网到独立切换时，并网点电网的波动作用在锁相环上，使锁相环输出的相位畸变恶化了控制效果。因此采用正序提取器，在保持相位平滑过渡上具有一定的优越性。

图7 并网到离网切换波形Fig.7 The waveform of transition from the grid-tied to stand-alone mode

逆变器从独立运行到并网运行切换的波形如图8所示。图中负荷电压一直是存在的。在电网电压突然出现时，负荷电压在2～3个工频周期即跟踪上电网电压。控制器在检测到连续10个周负荷电压与电网电压一致时，发出接触器并网命令，由于负荷电压和电网电压一致，并网时入网电流无冲击，这得益于本文所提正序提取器提取相位的无相移性。

图8 离网到并网切换波形Fig.8 The waveform of transition from the stand-alone to grid-tied mode

4 结论

本文实现了在电网断电时，利用分布式并网逆变器继续为关键负荷供电。其中实现相位平滑过渡的关键是提出了一种具备可调系数的正序提取器，它能在两个模式及其切换过程中平稳地输出控制需要的相位。该正序提取器具有结构简单的优点，直接在离散域给出了表达式，有利于数字控制的实现，且具有无相移的优点，使得电网相位的获取十分准确，有利于减小并网冲击。基于正序提取器设计的控制策略包含了并网和独立两种模式的控制及其切换逻辑，能自动检测电网断电，且平滑切换到独立运行模式，在检测到电网恢复时，又能跟踪电网电压，进行无冲击并网。

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A Seamless Transition Strategy Between Gird-Tied and Stand-Alone Modes for Inverters Based on a New Positive Component Detector

LiuHongLinMingchao

(Zhejiang Eifesun Energy Technology Company Limited Wenzhou 325000 China)

As the seamless transition between grid-tied and stand-alone modes is one of the technical challenges in distributed generation systems，a seamless transition approach based on the proposed positive component detector(PCD) for grid voltages is presented in this paper for three-phase utility-interactive inverters.The PCD provides the phase angle utilized for calculating the current reference in the grid-tied operation mode，while keeps the constant magnitude and frequency output used as the load voltage reference when the system outage.Once the grid has recovered，it can track the voltage phase so as to avoid the inrush when the inverter is reconnected to the grid.The current reference in the grid-connected mode and the voltage reference in the stand-alone mode are both controlled by the proportion resonance controller in the two phase static coordinate which has the capability of no static error tracking.Finally，the proposed strategy has been verified through experiments.

Distributed generation，utility interactive inverters，seamless transition，positive component detector

科技部科技型中小企业技术创新基金(11C26213304755)和浙江省科技计划(2011C21002)资助项目。

2014-11-20 改稿日期2015-03-07

TM464

刘 红 男，1985年生，硕士，工程师，研究方向为光伏、风电等分布式发电系统及其控制。(通信作者)

林明潮 男，1983年生，工程师，研究方向为分布式能源并网接入及系统稳定性分析。